1，壓水堆是怎么回事？

 

艦船的核動(dòng)力，無論是水面的核動(dòng)力航母、核動(dòng)力巡洋艦、核動(dòng)力破冰船，還是水下的核潛艇，過去和現(xiàn)在，都是采取反應(yīng)堆——高壓蒸汽循環(huán)系統(tǒng)——汽輪機(jī)——發(fā)電機(jī)或變速齒輪系統(tǒng)——大軸——螺旋槳來完成推進(jìn)。

 

高壓蒸汽冷卻循環(huán)體系，是現(xiàn)在所有艦船核反應(yīng)堆的能量輸出方式。因此所有的核艦船，無論水上還是水下，都是采用壓水堆。所謂的壓水，就是高壓輕水，也就是高壓普通純凈水。水的比熱很高，可以吸收和釋放大量熱能。普通水在常溫一個(gè)大氣壓下，100攝氏度就沸騰了，但在150個(gè)大氣壓下，水加熱到200多攝氏度都不會(huì)沸騰。高壓水可以從反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)輸出大量的能量。一旦減壓，就會(huì)變成能量極大的蒸汽，來推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功或者發(fā)電。

 

目前陸地上試驗(yàn)成功的所謂“高溫氣冷堆”或其他先進(jìn)堆型，都還無法上艦。因此網(wǎng)上說什么清華早就突破了氣冷堆，可以直接上艦，世界領(lǐng)先之類，都是沒常識(shí)的亂講。壓水堆仍然是所有核動(dòng)力船舶的唯一選擇。

 

同樣是產(chǎn)生高壓蒸汽，航母核動(dòng)力系統(tǒng)一般產(chǎn)生“過熱蒸汽”，而核潛艇上一般是“飽和蒸汽”，前者的熱能轉(zhuǎn)換效率更高，而后者熱效率更低，但設(shè)備體積更小，這是核潛艇內(nèi)部空間限制所必須。

 

2，核能量怎么轉(zhuǎn)化為艦船動(dòng)力？

 

當(dāng)今的核動(dòng)力航母，通過蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能，再經(jīng)過齒輪箱減速后，帶動(dòng)大軸旋轉(zhuǎn)推進(jìn)；老式的核潛艇高速前進(jìn)時(shí)，也是這么工作的；核潛艇在低速靜音狀態(tài)，可以切換成電池組的電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)大軸工作，這樣噪音較低。

 

今后所謂的“全電推進(jìn)”，就是航母和核潛艇，都采用全程汽輪機(jī)只用來發(fā)電，發(fā)出的電隨時(shí)對(duì)電池組充電，或直接通過電纜驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)軸或者泵推軸，不再有變速齒輪系統(tǒng)，輸出機(jī)械做功，甚至大軸也可不要了。這樣能量轉(zhuǎn)換效率更高，噪音更小。全電推進(jìn)，新一代核潛艇比水面艦艇，更早地實(shí)現(xiàn)。

 

3，有多少比例的核子能可以轉(zhuǎn)化為軸動(dòng)力？

 

必須明確艦船反應(yīng)堆的總熱功率和軸功率兩者的區(qū)別，否則會(huì)鬧笑話。

 

所謂的熱總功率，就是艦船反應(yīng)堆能通過高壓蒸汽對(duì)外輸出的總功率值；而軸功率，是指反應(yīng)堆輸出的蒸汽熱能，通過機(jī)電系統(tǒng)，能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)軸系，加載到推進(jìn)螺旋槳上的最大實(shí)用功率值。兩者的數(shù)值差異是很大的，一般軸功率只能達(dá)到熱功率的十幾個(gè)百分點(diǎn)就不錯(cuò)了。

 

例如，美國(guó)俄亥俄級(jí)核潛艇的反應(yīng)堆是S8G、海狼級(jí)是S6W，這兩種堆的熱功率都是250兆瓦，也就是25萬千瓦，但他們的最大軸輸出馬力，只有6萬軸馬力。

 

11萬噸的福特級(jí)核動(dòng)力航母用兩臺(tái)A1B新型反應(yīng)堆，轉(zhuǎn)換出的最大軸輸出功率只有不到30萬馬力！而小鷹級(jí)的軸輸出馬力只有28萬馬力，遼寧艦的軸功率也在25萬馬力以上，乍看還不如海狼級(jí)的一臺(tái)S6W反應(yīng)堆的25萬千瓦的熱功率大。

 

但福特級(jí)兩臺(tái)A1B的實(shí)際熱功率總值是超過65萬千瓦的，因此，用核潛艇的動(dòng)力包，強(qiáng)行推動(dòng)核動(dòng)力航母遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。

 

從熱功率到軸馬力的轉(zhuǎn)換率越高，說明一國(guó)的機(jī)電整體水平越高。過去美國(guó)在這方面的水平超越蘇俄和中英法，但我新一代核潛艇的能量轉(zhuǎn)換率已經(jīng)趕上了美國(guó)的最新水平。

 

4，航母上的反應(yīng)堆占多大體積？

 

艦船核動(dòng)力包相對(duì)于陸地核電站，最大的特點(diǎn)就是總體積大大壓縮，核潛艇的反應(yīng)堆尤其小巧玲瓏，但相同體積的能量密度卻比陸地核電站大得多，所用的核燃料的豐度也高的多。

 

一個(gè)百萬千瓦級(jí)的陸地反應(yīng)堆，核燃料棒總重在一兩百噸，核燃料棒鈾235的濃度只有3%到10%。尼米茲級(jí)或福特級(jí)，每臺(tái)反應(yīng)堆的熱功率在30萬千瓦以上，裝入的核燃料總量不超過4噸。而俄亥俄級(jí)的S8W反應(yīng)堆，裝入的鈾235的總重只有140公斤！

 

俄亥俄級(jí)的單臺(tái)S8G 壓水堆裝置，采用美海軍標(biāo)準(zhǔn)壓水堆裝置熱線圖，一臺(tái)反應(yīng)堆，兩個(gè)動(dòng)力循環(huán)分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)中包含一、二回路支回路，共用減速齒輪箱，單軸，推進(jìn)一部七葉大側(cè)斜螺旋槳。

 

一回路系統(tǒng) S8G 自然循環(huán)壓水堆，熱功率250MW，堆芯直徑1.6m，高度1.7m，燃料元件約60 盒。采用板狀元件，鈾鋯合金燃料，鈾 235 富集度為 40％，包殼材料為鋯-4 合金，鈾235 燃料初始裝載量約為140kg。堆芯功率密度為80MW/m3。反應(yīng)堆采用鉿控制棒，用于控制后備反應(yīng)性，使堆芯具有長(zhǎng)壽命。一回路系統(tǒng)壓力為16MPa，冷卻劑進(jìn)入反應(yīng)堆入口溫度280℃，出口320℃，冷卻劑流量約 3600t/h，主循環(huán)泵功率 169kW。

 

由上可見，龐大的俄亥俄戰(zhàn)略核潛艇，其反應(yīng)堆核心部分，只是一個(gè)不到一人高的“金屬罐”而已，其他核潛艇的反應(yīng)堆也差不多這么大。這類反應(yīng)堆用的都是“鈾鋯合金燃料板”，通過特殊工藝讓高濃度鈾滲透到金屬鋯合金中去，作為反應(yīng)堆燃燒材料。而不是民用核電站那種二氧化鈾陶瓷塊。能量密度成百倍的提高。

 

5，核航母不用換燃料？

 

從尼米茲級(jí)核動(dòng)力航母和海狼級(jí)核潛艇以后批次，美海軍越來越強(qiáng)調(diào)用武器級(jí)鈾235作為艦船反應(yīng)堆的燃料，追求越來越長(zhǎng)的換料周期，提高出動(dòng)效率。核動(dòng)力航母和核潛艇換料都要“開膛破肚”，航母一次換料就需要三年；而核潛艇一旦換料，就必須破壞耐壓殼，會(huì)讓核潛艇的安全系數(shù)大大降低，因此到了最新的弗吉尼亞級(jí)核潛艇，美國(guó)人已經(jīng)達(dá)到了核燃料——反應(yīng)堆殼體——艇體的壽命都是35年，潛艇全壽命期內(nèi)都不用換料了。

 

而尼米茲級(jí)航母的船體壽命是50年，使用20多年后，仍然必須換一次料，把反應(yīng)堆和燃料板一起換掉。現(xiàn)在傳說福特級(jí)的反應(yīng)堆可以直接使用50年，一生都不用換料？這是以訛傳訛！實(shí)際上福特級(jí)到2038年也是必須換料的，美海軍內(nèi)部說得很清楚。

 

即使武器級(jí)鈾制成的燃料板不用換，反應(yīng)堆本身也很難有超過40年的安全壽命。弗吉尼亞級(jí)能做到30多年全不換，已經(jīng)是逆天的高技術(shù)了。

 

6，核彈頭的原料可以拆解裝到航母上去嗎？

 

俄國(guó)和其他大國(guó)的核潛艇和其他核動(dòng)力船舶，所用的核燃料的豐度，基本都沒有達(dá)到武器級(jí)鈾燃料的濃度，仍然普遍采用20%到40%的核燃料，其中原因復(fù)雜：用武器級(jí)鈾235能量密度高，壽命長(zhǎng)，但提煉到如此高的濃度，鈾濃縮過程中消耗的電力也是驚人的。美國(guó)人用得起，是因?yàn)槊绹?guó)人有錢。特別是最近這些年，他們大量的核彈頭到了服役壽命被拆解，可以直接取出內(nèi)部的超高濃縮鈾用來生產(chǎn)燃料板。

 

那么俄羅斯有更多的核彈頭同樣拆解了，俄羅斯人為何不直接用呢？很簡(jiǎn)單，俄羅斯現(xiàn)在沒錢，他拆出來的核武鈾塊，居然99%出口美國(guó)用來?yè)Q外匯了！

 

7，核動(dòng)力航母馱著原子彈到處跑，萬一爆炸怎么辦？

 

核動(dòng)力航母和核潛艇堆芯都用武器級(jí)鈾燃料，是否等于天天扛著個(gè)超大原子彈到處跑？會(huì)不會(huì)突然像原子彈一樣爆炸？

 

這種危險(xiǎn)的概率可以近乎零。原子彈的核心是兩個(gè)近乎純鈾組成的金屬半球或者金屬環(huán)，引爆前還要用高能炸藥極度壓縮體積，才能超臨界爆炸。

 

艦船核反應(yīng)堆雖然名義上用的是武器級(jí)鈾，但實(shí)際上前面已經(jīng)講過，這些高濃度鈾金屬，已經(jīng)通過特殊工藝滲透進(jìn)了鋯合金中，制成像餅干一樣的一片片燃料板，體積密度已經(jīng)大大分散，而且反應(yīng)堆中還有大量的冷卻劑和減速金屬，出現(xiàn)超臨界狀態(tài)幾乎沒有可能，更不會(huì)出現(xiàn)快中子瞬間集中鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就沒有核爆炸的危險(xiǎn)。